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Yudong Jin
2026-03-30 07:30:15 +08:00
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# 部分集合和問題
# 部分和問題
## 重複要素がない場合
## 重複しない要素の場合
!!! question
整数配列 `nums`ターゲット正整数 `target` が与えられた場合、組み合わせ内の要素の和が `target` に等しくなるようなすべての可能な組み合わせを見つけてください。与えられた配列に重複要素なく、各要素は複数回選択できます。これらの組み合わせを重複する組み合わせを含まないリストとして返してください
正整数配列 `nums`目標の正整数 `target` が与えられたとき、要素の和が `target` に等しくなるすべての組合せを見つけてください。配列に重複要素なく、各要素は複数回選択できます。これらの組合せをリスト形式で返してください。リストに重複する組合せを含めてはなりません
例えば、入力集合 $\{3, 4, 5\}$ とターゲット整数 $9$ の場合、解は $\{3, 3, 3\}, \{4, 5\}$ です。以下の2点に注意してください。
例えば、入力集合 $\{3, 4, 5\}$ と目標整数 $9$ に対する解は $\{3, 3, 3\}, \{4, 5\}$ です。次の 2 点に注意してください。
- 入力集合の要素は無制限に選択できます。
- 部分集合は要素の順序を区別しません。例えば $\{4, 5\}$ と $\{5, 4\}$ は同じ部分集合です。
- 入力集合の要素は何度でも繰り返し選択できます。
- 部分集合は要素の順序を区別しません。例えば $\{4, 5\}$ と $\{5, 4\}$ は同じ部分集合です。
### 順列解法参考
### 順列解法参考にする
順列問題と同様に、部分集合の生成を一連の選択として想像でき、選択プロセス中に「要素和」をリアルタイムで更新できます。要素和が `target` に等しくなったとき、部分集合を結果リストに記録します。
順列問題と同様に、部分集合の生成過程を一連の選択結果として捉え、選択の過程で「要素和」を逐次更新できます。そして要素和が `target` に等しくなった時点で、その部分集合を結果リストに記録します。
順列問題と異な、**この問題では要素無制限に選択できるため**、要素が選択されたかどうかを記録するための `selected` ブール配列を使用する必要がありません。順列コードに軽微な修正を加えて、最初に問題を解決できます
ただし全順列問題と異なるのは、**この問題では集合内の要素無制限に選択できる**点です。そのため、要素がすでに選択されたかどうかを記録する `selected` ブール配列は不要です。全順列コードに少し修正を加えると、まず次の解法コードが得られます
```src
[file]{subset_sum_i_naive}-[class]{}-[func]{subset_sum_i_naive}
```
配列 $[3, 4, 5]$ とターゲット要素 $9$ を上記のコードに入力すると、結果 $[3, 3, 3], [4, 5], [5, 4]$ が得られます。**和が $9$ のすべての部分集合を正常に見つけましたが、重複する部分集合 $[4, 5]$ と $[5, 4]$ が含まれています**。
上のコードに配列 $[3, 4, 5]$ と目標値 $9$ を入力すると、出力は $[3, 3, 3], [4, 5], [5, 4]$ となります。**和が $9$ となる部分集合はすべて見つかっていますが、重複する部分集合 $[4, 5]$ と $[5, 4]$ が含まれています**。
これは、検索プロセスが選択の順序を区別するためですが、部分集合は選択順を区別しません。以下の図に示すように、$5$ の前に $4$ を選択することと $4$ の前に $5$ を選択することは異なる分岐ですが、同じ部分集合に対応します。
これは、探索過程では選択順を区別する一方で、部分集合は選択順を区別しないためです。次の図のように、先に $4$ を選んでから $5$ を選ぶ場合と、先に $5$ を選んでから $4$ を選ぶ場合は別の分岐ですが、対応する部分集合は同じです。
![部分集合の検索と境界外の剪定](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_naive.png)
![部分集合索と境界超過の枝刈り](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_naive.png)
重複する部分集合を除去するために、**直接的なアイデアは結果リスト重複除去することです**。しかし、この方法は2つの理由で非常に非効率的です。
重複する部分集合を取り除くために、**直接的な方法として結果リスト重複除去する**ことが考えられます。しかし、この方法は効率が低く、その理由は次の 2 点です。
- 配列要素が多い場合、特に `target` が大きい場合、検索プロセスで大量の重複する部分集合が生成されます。
- 部分集合(配列)の差異を比較することは非常に時間がかかり、まず配列をソートし、次に配列の各要素の差異を比較する必要があります。
- 配列要素が多い場合、特に `target` が大きい場合には、探索過程で大量の重複部分集合が生成されます。
- 部分集合(配列)同士の違いを比較するは非常に時間がかかり、まず配列をソートし、その後に各要素を比較する必要があります。
### 重複部分集合の剪定
### 重複部分集合の枝刈り
**剪定を通じて検索プロセス中に重複除去を検討します**。以下の図を観察すると、異なる順序で配列要素を選択するときに重複する部分集合が生成されます。例えば、以下の状況です。
**探索過程で枝刈りを行って重複除去する**ことを考えます。次の図を観察すると、重複部分集合は配列要素を異なる順序で選択したときに生じます。例えば次のような状況です。
1. 最初のラウンドで $3$ を選択し、2番目のラウンドで $4$ を選択すると、これら2つの要素を含むすべての部分集合が生成され、$[3, 4, \dots]$ と表記されます。
2. 後で、最初のラウンドで $4$ が選択されたとき、**2番目のラウンドは $3$ をスキップすべきです**。この選択によって生成される部分集合 $[4, 3, \dots]$ はステップ `1.` 部分集合と完全に重複するからです。
1. 1 回目と 2 回目でそれぞれ $3$ と $4$ を選と、これら 2 要素を含むすべての部分集合、すなわち $[3, 4, \dots]$ が生成されます。
2. その後、1 回目で $4$ を選んだ場合、**2 回目では $3$ をスキップすべき**です。というのも、この選択で生成される部分集合 $[4, 3, \dots]$ は、手順 `1.` で生成された部分集合と完全に重複するからです。
検索プロセスでは、各層の選択左から右に一つずつ試行されるため、右側分岐ほどより多く剪定されます。
探索過程では、各層の選択左から右へ順に試されるため、右側にある分岐ほど多く枝刈りされます。
1. 最初の2ラウンドで $3$ と $5$ を選択し、部分集合 $[3, 5, \dots]$ 生成ます。
2. 最初の2ラウンドで $4$ と $5$ を選択し、部分集合 $[4, 5, \dots]$ 生成ます。
3. 最初のラウンドで $5$ が選択された場合、**2番目のラウンドは $3$ と $4$ をスキップすべきです**。部分集合 $[5, 3, \dots]$ と $[5, 4, \dots]$ はステップ `1.``2.`記述された部分集合と完全に重複するからです。
1. 最初の 2 回で $3$ と $5$ を選ぶと、部分集合 $[3, 5, \dots]$ 生成されます。
2. 最初の 2 回で $4$ と $5$ を選ぶと、部分集合 $[4, 5, \dots]$ 生成されます。
3. もし 1 回目で $5$ を選ぶなら、**2 回目では $3$ と $4$ をスキップすべき**です。なぜなら、部分集合 $[5, 3, \dots]$ と $[5, 4, \dots]$ は、手順 `1.`手順 `2.`述べた部分集合と完全に重複するからです。
![異なる選択順による重複部分集合](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_pruning.png)
![異なる選択順によって生じる重複部分集合](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i_pruning.png)
要約すると、入力配列 $[x_1, x_2, \dots, x_n]$ が与えられた場合、検索プロセスでの選択シーケンスは $[x_{i_1}, x_{i_2}, \dots, x_{i_m}]$ であるべきで、$i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ を満たす必要があります。**この条件を満たさない選択シーケンスは重複を引き起こし、剪定されるべきです**。
まとめると、入力配列 $[x_1, x_2, \dots, x_n]$ が与えられ、探索過程における選択列を $[x_{i_1}, x_{i_2}, \dots, x_{i_m}]$ とすると、この選択列は $i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ を満たす必要があります。**この条件を満たさない選択列は重複を生むため、枝刈りすべきです**。
### コード実装
この剪定を実するために、変数 `start` を初期化し、これは走査の開始点を示します。**選択 $x_{i}$ を行った後、次のラウンドインデックス $i$ から開始するように設定します**。これにより、選択シーケンスが $i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ を満たすことが保証され、部分集合の一意性が保証されます。
この枝刈りを実するために、走査の開始位置を示す変数 `start` を初期化します。**選択 $x_{i}$ を行った後、次のラウンドインデックス $i$ から走査を開始する**ように設定します。これにより、選択が $i_1 \leq i_2 \leq \dots \leq i_m$ を満た、部分集合の一意性が保証されます。
さらに、コードに以下の2つの最適化を行いました
これに加えて、コードには次の 2 つの最適化も施しています
- 索を開始する前に、配列 `nums` をソートします。すべての選択の走査で、**部分集合和が `target` を超えたときにループを直接終了します**。後続の要素はより大きく、それらの部分集合和は確実に `target` を超えるからです。
- 要素和変数 `total` を除去し、**`target` に対して減算を実行して要素和をカウントします**`target` が $0$ に等しくなったとき解を記録します。
- 索を始める前に、まず配列 `nums` をソートします。すべての選択肢を走査するとき、**部分集合和が `target` を超えたら直ちにループを終了**します。後続の要素はさらに大きいため、その和も必ず `target` を超えるからです。
- 要素和を保持する変数 `total` は省略し、**`target` から減算することで要素和を管理**します。`target` が $0$ になったとき解を記録します。
```src
[file]{subset_sum_i}-[class]{}-[func]{subset_sum_i}
```
以下の図は、配列 $[3, 4, 5]$ とターゲット要素 $9$ を上のコードに入力した後の全体的なバックトラッキングプロセスを示しています。
の図は、配列 $[3, 4, 5]$ と目標値 $9$ を上のコードに入力したときの、全体のバックトラッキング過程を示しています。
![部分集合和 I のバックトラッキングプロセス](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i.png)
![部分和 I のバックトラッキング過程](subset_sum_problem.assets/subset_sum_i.png)
## 重複要素がある場合を考慮
## 重複要素を考慮する場合
!!! question
整数配列 `nums`ターゲット正整数 `target` が与えられた場合、組み合わせ内の要素の和が `target` に等しくなるようなすべての可能な組み合わせを見つけてください。**与えられた配列には重複要素が含まれる可能性があり、各要素は一度だけ選択できま**。これらの組み合わせを重複する組み合わせを含まないリストとして返してください
正整数配列 `nums`目標の正整数 `target` が与えられたとき、要素の和が `target` に等しくなるすべての組合せを見つけてください。**与えられた配列には重複要素が含まれる可能性があり、各要素は 1 回しか選択できません**。これらの組合せをリスト形式で返してください。リストに重複する組合せを含めてはなりません
の問題と比較して、**この問題の入力配列には重複要素が含まれる可能性があり**、新しい問題が導入されます。例えば、配列 $[4, \hat{4}, 5]$ とターゲット要素 $9$ が与えられた場合、既存コードの出力結果は $[4, 5], [\hat{4}, 5]$ となり、重複する部分集合が生成されます。
問と比べると、**この問題の入力配列には重複要素が含まれる可能性があります**。そのため、新たな問題が生じます。例えば、配列 $[4, \hat{4}, 5]$ と目標値 $9$ が与えられると、既存コードの出力は $[4, 5], [\hat{4}, 5]$ となり、重複部分集合がれます。
**この重複の理由は、特定のラウンドで等しい要素が複数回選択されることで**以下の図では、最初のラウンドに3つの選択肢があり、そのうち2つが $4$ であり、2つの重複する検索分岐を生成し、重複する部分集合出力ます。同様に、2番目のラウンドの2つの $4$ も重複する部分集合を生成します。
**この重複が生じる原因は、同じ値の要素があるラウンドで複数回選ばれてしまうことにありま**の図では、1 回目には 3 つの選択肢があり、そのうち 2 つはどちらも $4$ です。これにより 2 本の重複した探索分岐が生じ、重複部分集合出力されます。同様に、2 回目の 2 つの $4$ も重複部分集合を生ます。
![等しい要素による重複部分集合](subset_sum_problem.assets/subset_sum_ii_repeat.png)
![等しい要素によって生じる重複部分集合](subset_sum_problem.assets/subset_sum_ii_repeat.png)
### 等要素の剪定
### 等しい要素の枝刈り
この問題を解決するために、**等しい要素がラウンドごとに一度だけ選択されるように制限する必要があります**。実装は非常に巧妙です配列ソートされているため、等しい要素は隣接しています。これは、特定のラウンドの選択で現在の要素がその左側の要素と等しい場合、それはすでに選択されていることを意味するため、現在の要素を直接スキップします。
この問題を解決するには、**各ラウンドで等しい要素が 1 回しか選ばれないように制限する必要があります**。実装方法は巧妙です配列はすでにソートされているため、等しい要素は必ず隣り合っています。したがって、あるラウンドの選択で現在の要素が左隣の要素と等しいなら、それはすでに選ばれたことを意味するので、その要素を直接スキップします。
同時に、**この問題では各配列要素は一度だけ選択できると規定されています**。幸い、変数 `start` を使用してこの制約も満たすことができます:選択 $x_{i}$ を行った後、次のラウンドインデックス $i + 1$ から前方に開始するよう設定します。これにより、重複する部分集合除去されるだけでなく、要素の重複選択も回避されます。
同時に、**この問題では各配列要素を 1 回しか選択できない**という制約もあります。幸い、この制約も変数 `start` を使って満たせます。すなわち、選択 $x_{i}$ を行った後、次のラウンドインデックス $i + 1$ から後ろへ走査するよう設定します。これにより、重複部分集合除去できるだけでなく、同じ要素を繰り返し選ぶことも防げます。
### コード実装
@@ -90,6 +90,6 @@
[file]{subset_sum_ii}-[class]{}-[func]{subset_sum_ii}
```
以下の図は、配列 $[4, 4, 5]$ とターゲット要素 $9$ バックトラッキングプロセスを示し、4種類の剪定操作が含まれています。図とコードコメントを組み合わせて、検索プロセス全体と各種類の剪定操作の動作を理解してください。
の図は、配列 $[4, 4, 5]$ と目標値 $9$ に対するバックトラッキング過程を示しており、全部で 4 種類の枝刈り操作が含まれています。図とコードコメントを対応させながら、探索全体の流れと、各枝刈り操作がどのように機能するかを理解してください。
![部分集合和 II のバックトラッキングプロセス](subset_sum_problem.assets/subset_sum_ii.png)
![部分和 II のバックトラッキング過程](subset_sum_problem.assets/subset_sum_ii.png)